【學術前沿】黃薇等揭示人類胚胎少突膠質細胞發育與大腦皮層白質擴張的細胞和分子機制

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在進化過程中，人類大腦與身體比重較之齧齒類或非人靈長類動物明顯增大，為智力的提高和意識的產生提供神經物質基礎。就變化最為顯著的大腦皮層而言，除了灰質在水平方向上的急劇擴增並形成特定摺疊形式的溝回結構之外，人腦白質區域的體積更是大大增加，與之相伴隨的是白質損傷也成為皮層發育異常性疾病中常見的症狀，嚴重時甚至導致腦癱。少突膠質細胞作為白質中丰度最高的細胞，形成包裹神經元軸突的髓鞘，促進神經訊號的跳躍式傳導。對於少突膠質細胞發育機制的研究不僅能幫助我們更好的瞭解人類大腦皮層發育，也為白質損傷相關疾病的發病機理研究和治療方法探索提供依據。然而由於人腦組織樣本的難得和操作手段的有限，目前對於少突膠質細胞發育機制的研究主要是利用齧齒類動物為模型。考慮到人類大腦和鼠類大腦結構的巨大差異，研究人類少突膠質細胞發育是否具備特殊性質顯得尤為重要。

2020年7月16日，加州大學舊金山分校Arnold Kriegstein實驗室（黃薇博士為共同第一作者和共同通訊作者）在Cell雜誌上線上發表了題為Origins and Proliferative States of Human Oligodendrocyte Precursor Cell的研究論文。這項工作圍繞人類胚胎髮育過程中少突膠質前體細胞（OPC）的譜系來源、增殖能力和擴散方式展開研究，從而探索人類大腦皮層白質擴張（white matter expansion）的細胞和分子機制。

一。 他山之石，可以攻玉

靈長類動物在皮層發育中新產生了齧齒類動物所沒有的生髮中心outer subventricular zone （oSVZ）。Kriegstein實驗室於十年前在oSVZ中發現了一種特化的放射狀膠質細胞outer radial glia （oRG）對於神經發生 （neurogenesis） 和皮層灰質（gray matter）的擴張至關重要，並於五年前鑑定出oRG的標誌基因。但oRG是否參與膠質發生，特別是oRG能否分化生成少突膠質細胞，學術界一直以來缺乏有力的研究證據。原因在於在靈長類動物中難以標記和追蹤特定細胞型別，而oRG在具備轉基因品系的齧齒類動物中又非常稀有。在這項工作中，研究者首先利用單細胞測序和虛擬重構，鑑定出一條從oRG 到OPC的細胞分化譜系，並且發現了一類新的中間前體細胞（命名為Pre-OPC） 介導了從oRG到OPC的分化。然後研究者對胚胎腦片進行組織學染色，實際找到oSVZ區域中大量存在的oRG、Pre-OPC和OPC以及介於兩兩幹細胞之間的過渡中間態細胞。接下來研究者透過免疫富集的方法從新鮮的臨床組織樣本中直接純化各類幹細胞，並進行體外分化和藥物處理，從而確定oRG能夠分化產生Pre-OPC，後者進一步分化產生OPC。最後，研究者對免疫純化的幹細胞進行病毒標記、細胞移植、腦片培養和實時顯微成像，觀測了三種不同型別幹細胞分裂和遷移的動態行為，並進行兩兩對比。上述一系列實驗結果表明靈長類特有的oRG也能支援膠質發生，從而為人類少突膠質細胞的生成提供齧齒類不具備的額外幹細胞來源。另外與神經發生相對應，少突膠質細胞發育過程中也存在中間前體細胞，有別於之前報導的參與神經發生的TBR2陽性的IPC，這類新定義的Pre-OPC為EGFR+SOX2+OLIG2+，分佈於oSVZ中，並且具備特殊的跳躍式分裂動態行為（Mitotic Somal Translocation）。在寬闊oSVZ區域中廣泛存在的oRG和Pre-OPC這兩種幹細胞為OPC的大量產生提供充分的細胞來源。

二。 駑馬十駕，功在不捨

運用實時顯微成像和BrdU類似物連續標記這兩種不同的實驗方法，研究者都發現在一個相對長的時間窗內（GW20-24）已經實現細胞命運決定的OPC仍能夠馬不停蹄的連續分裂，從而大大擴增了幹細胞庫，為進一步分化產生成熟的少突膠質細胞和髓鞘提供廣泛的前體細胞來源。這與以前報導的小鼠中研究結果大不相同，後者在相對應的發育時期（P0-3）的OPC呈現靜息狀態或經歷一輪細胞分裂後迅速終分化形成少突膠質細胞。

三。 相濡以沫不如相忘於江湖

以往的報導顯示在神經發生中幹細胞分裂產生的子細胞往往相依相伴。經典的例子是放射狀狀膠質（radial glia， RG）不對稱分裂產生的神經元將沿著其姊妹RG攀爬，而RG透過連續不對稱性分裂陸續產生的子代神經元將在皮層聚集排列成細胞克隆。在對於OPC的實時顯微成像觀察中，研究者發現一個非常有趣的現象：OPC分裂產生的兩個子代細胞之間強烈排斥， 向相反方向迅速遷移。這與其它型別的分裂細胞（包括RG和IPC在內）明顯不同，可能有助於新生OPC在皮層中的快速擴散以降低區域性濃度和實現均勻分佈。為了研究OPC子細胞相互排斥的分子機制，作者透過單細胞測序對比了OPC同RG和IPC的基因表達譜差異，找到一種OPC特異的原鈣粘附蛋白家族成員PCDH15。無論是在RNA水平上運用RNA干擾還是在蛋白水平上運用抗體阻斷從而破壞PCDH15的功能，都能夠有效抑制OPC子細胞之間的排斥現象。進一步的實時顯微成像觀察或者分裂標誌蛋白KI67染色的結果均顯示，阻斷OPC子細胞的排斥行為將明顯抑制子代OPC的再次分裂。這就是說PCDH15介導的子細胞相互排斥作用促進了OPC的有效擴散和快速分裂。

OPC infected with Scramble-shRNA lentivirus

OPC infected with PCDH15-shRNA lentivirus

OPC treated with IgG

OPC treated with PCDH15-antibody

綜合上述研究結果，人類胚胎髮育時期中少突膠質前體細胞的這三大性質（額外來源，持續分裂，快速擴散）將大幅度提高少突膠質細胞的生成數量，從而促進大腦皮層的白質擴張。在文章末尾的討論部分，作者還列舉了運用單細胞測序發現的除PCDH15以外其它表達於OPC的特異性基因，未來對於這些基因功能的研究將加深人們對於膠質發生的認識。另外，作者還提到過去對於大腦皮層發育異常性疾病的研究往往集中在神經發生上，膠質發育異常往往被當作是繼發性損害；而本文的單細胞測序結果表明很多臨床上報導的致病基因不僅表達於神經元，而且在膠質細胞如OPC中也有較高的轉錄水平，這提示著膠質細胞在疾病發生中的原發性作用以及遺傳性神經發育疾病的細胞多型性。

原文連結：

https：//www。cell。com/cell/fulltext/S0092-8674（20）30759-5

1980-2020

原標題：《【學術前沿】黃薇等揭示人類胚胎少突膠質細胞發育與大腦皮層白質擴張的細胞和分子機制》